Auto-assemblage de colorants ioniques fluorescents à l’intérieur de nanoparticules de polymères : ingénierie de fluorescence efficace et commutable

Self-assembly of ionic fluorescent dyes inside polymer nanoparticles : engineering bright fluorescence and switching

• Auteur / Autrice : Bohdan Andreiuk
• Direction : Andrey Klymchenko, Vasyl Pivovarenko
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 29/08/2017
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biophotonique et pharmacologie (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Giuseppone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chantal Andraud, Rachel Méallet-Renault

Mots clés

Mots clés libres

Nanoparticules polymeriques fluorescentes

Encapsulation de colorants

Inhibition de fluorescence par agrégation

Émission augmentée par contre-ions

Fluorescent polymer nanoparticles

Dye encapsulation

Aggregation-caused fluorescence quenching

Counterion-enhanced emission

Résumé

L’encapsulation dans des nanomatériaux de polymères de colorants ioniques à l’aide de contre-ions hydrophobes volumineux apparaît être une méthode très efficace pour générer des nanoparticules (NPs) fluorescentes ultra-brillantes pour la bioimagerie. Nous avons d’abord étendu cette approche par contre-ions aux colorants cyanine opérant dans la gamme du bleu au proche infra-rouge. A partir de NPs chargés en cyanines, une methode de code-barre multicolore pour le traçage cellulaire à long terme a été développé. Ensuite, le rôle des contre-ions hydrophobes volumineux dans l’auto-assemblage des colorants cationiques à l’intérieur des NPs de polymères a été étudié en testant une large collection d’anions. Nous avons montré qu’une forte hydrophobicité du contre-ion augmente l’encapsulation du colorant, régule son clustering et empêche l’agrégation de nanoparticules, alors qu’une grande taille empêche l’auto-inhibition de fluorescence. Enfin, nous avons introduit les contre-ions à base d’aluminates et de barbiturates, qui sur-performent les tetraphénylborates fluorés. Ce travail procure une base solide au concept d’émission et d’encapsulation augmentées par contre-ions pour la préparation de NPs chargés en colorants fluorescents.

Encapsulation of ionic dyes with help of bulky hydrophobic counterions into polymer nanomaterials emerged as powerful method for generating ultrabright fluorescent nanoparticles (NPs) for bioimaging. Here, this counterion-based approach is extended to cyanine dyes, operating from blue to near-infrared range. Based on cyanine-loaded NPs, a multicolour cell barcoding method for long-term cell tracking is developed. Second, the role of bulky hydrophobic counterion in self-assembly of cationic dyes inside polymeric NPs is studied by testing a large library of anions. We show that high hydrophobicity of a counterion enhances dye encapsulation, prevents particle aggregation and tunes dye clustering, while large size prevents dyes from self-quenching. Third, counterions based on aluminates and barbiturates are shown to outperform fluorinated tetraphenylborates. This work provides a solid basis for counterion-enhanced encapsulation and emission concept in preparation of dye-loaded fluorescent NPs.